CN109941397A - 一种半潜式海上风力发电机平台及海上风力发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于海上风力发电机相关技术领域，其公开了一种半潜式海上风力发电机平台及海上风力发电设备，该发电机平台包括立柱、多个偏移柱、多个系泊线及多个浮筒，多个该偏移柱绕该立柱的中心轴均匀排布，且该偏移柱连接于该立柱；多个该偏移柱之间通过多个该浮筒相连接；多个该系泊线分别连接多个该偏移柱及锚，该锚设置在海底；该偏移柱呈阶梯状，其包括基柱及上柱，该上柱设置在该基柱上；该系泊线连接于该基柱；该基柱的直径大于该上柱的直径；多个该上柱远离该基柱的一端通过多个该浮筒相连接，且多个该基柱也通过多个该浮筒相连接；该偏移柱内填充有水，其用于提供压载。本发明提高了稳定性及使用寿命，适用性较强。

Description

一种半潜式海上风力发电机平台及海上风力发电设备

技术领域

本发明属于海上风力发电机相关技术领域，更具体地，涉及一种半潜式海上风力发电机平台及海上风力发电设备。

背景技术

由于传统能源在过去几十年中日益枯竭，可再生能源，尤其是风能，比以往任何时间都受到更多关注。风能因其在减少温室气体排放方面的重要作用而得到广泛认可，因此风能的开发在过去几十年中经历了快速增长。由于海上风力资源比陆上风能具有许多特别的优势，近年来风力发电机作为风能收集装置已经从陆上发展到近海。然而，随着水深的增加，固定底部海上风力发电机的施工难度和成本迅速增加，成本的增加主要与浮式基础有关，浮式基础是海上风力发电机在深水中起作用所必需的。

现有的浮式基础主要包括Spar结构基础、半潜式基础和TLP结构基础三种形式，这些浮式基础都需要系泊系统将风机系泊在海面上，并吸收作用在风机上的环境载荷。处于深海中的浮式风机不仅要承受常规的波浪载荷和流载荷，由于其高耸的风机结构，还要承受强风引起的巨大风载荷和倾覆力矩，导致浮式风机在工作时会有较大的运动响应，影响风机的稳定性，所以减小风机在风浪联合作用下的运动响应十分重要。

多点式系泊可分为悬链式和张紧式，在浮式风机平台上设置导缆孔，然后通过简单的三根系泊线将浮式风机平台和海床基础连接以达到限制浮式风机平台运动的效果。悬链式系泊系统的系泊线在水中处于松弛状态，优点是在高海况下平台和系泊缆索都比较安全，缺点是浮式平台的运动响应比较大，张紧式系泊系统的系泊线在水中处于张紧状态，优点是浮式风机平台在高海况下运动响应较小，缺点是由于张紧状态下预应力较大，系泊系统在高海况下比较危险甚至会被破坏，且由于海流等问题而产生的涡激振动及疲劳会缩短系泊缆索的使用寿命。此外，浮式风力发电机平台基础大多采用翼梁类型基础，而这样带来的问题是为了保持整体稳定性，降低整个结构的重心和稳心，翼梁结构尺寸需要较大，成本也较高。现有的半潜式浮式平台结构虽然采取了很多复杂的处理措施，但效果仍旧难以令人满意，首先是现有半潜式平台的偏移柱数目较少，这是由于缺乏相应数据支持导致的；其次，由于现有的浮式风力发电机所采用的系泊系统都是继续沿用海洋工程领域的单条悬链线系泊系统，整体重心偏高，抗波能力差。相应地，本领域存在着发展一种稳定性较好的半潜式海上风力发电机平台及海上风力发电设备的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种半潜式海上风力发电机平台及海上风力发电设备，其基于现有浮式基础的工作特点，研究及设计了一种稳定性较好的半潜式海上风力发电机平台及海上风力发电设备。所述发电机平台主要由七根圆柱形柱组成，其中六根为偏移柱，余下一根为立柱，六根偏移柱绕所述立柱均匀排布，偏移柱之间采用浮筒连接，偏移柱与立柱之间采用浮筒与斜撑连接，且偏移柱通过系泊线连接到海底，浮筒和斜撑起到力的传递作用，偏移柱起到压载作用，能够为大功率浮式海上风力发电机组提供安全可靠的平台支撑，保证了运行稳定性及使用寿命，适用性较强。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种半潜式海上风力发电机平台，所述发电机平台包括立柱、多个偏移柱、多个系泊线及多个浮筒，多个所述偏移柱绕所述立柱的中心轴均匀排布，且所述偏移柱连接于所述立柱；多个所述偏移柱之间通过多个所述浮筒相连接；多个所述系泊线分别连接多个所述偏移柱及锚，所述锚设置在海底；

所述偏移柱呈阶梯状，其包括基柱及上柱，所述上柱设置在所述基柱上；所述系泊线连接于所述基柱；所述基柱的直径大于所述上柱的直径；多个所述上柱远离所述基柱的一端通过多个所述浮筒相连接，且多个所述基柱也通过多个所述浮筒相连接；所述偏移柱内填充有水，其用于提供压载。

进一步地，所述系泊线包括两个第一系泊线及第二系泊线，两个所述第一系泊线的一端分别连接于相邻的两个所述基柱，另一端连接于所述第二系泊线的一端，所述第二系泊线的另一端连接于所述锚。

进一步地，所述发电机平台还包括多个斜撑，多个所述斜撑的一端分别连接于多个所述上柱远离所述基柱的一端，另一端连接于所述立柱邻近所述基柱的一端。

进一步地，多个所述上柱远离所述基柱的一端通过所述浮筒连接于所述立柱远离所述基柱的一端。

进一步地，所述发电机平台还包括多个导缆器，多个所述导缆器分别设置在多个所述基柱上，且绕所述立柱的中心轴均匀排布。

进一步地，所述偏移柱自静水位上方延伸到水下方。

进一步地，多个所述偏移柱的数量与多个所述系泊线的数量相同，均为六个；六个所述偏移柱的中心轴分别通过同一个正六边形的顶点。

进一步地，所述浮筒为圆柱形等截面浮筒。

按照本发明的另一个方面，提供了一种海上风力发电设备，该发电设备包括如上所述的半潜式海上风力发电机平台及风机结构，所述风机结构设置在所述发电机平台上。

进一步地，所述发电设备包括塔柱，所述塔柱设置在所述立柱上；所述塔柱呈圆柱状，所述塔柱的中心轴与所述立柱的中心轴重合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的半潜式海上风力发电机平台及海上风力发电设备主要具有以下有益效果：

1.多个所述偏移柱绕所述立柱的中心轴均匀排布，且所述偏移柱连接于所述立柱，使得整体结构质量较小，且结构稳定，受载分布均衡，稳定性较好，成本较低。

2.多个所述偏移柱之间通过多个所述浮筒相连接，多个所述系泊线分别连接多个所述偏移柱及锚，如此可以增强发电机平台的刚度，降低发电机平台的位移幅度，且结构简单，实用性较强。

3.所述基柱的直径大于所述上柱的直径，有利于抑制所述半潜式海上风力发电机平台的运动，特别是在升沉方向，也有限制浪涌、摇摆、滚动及俯仰。

4.所述立柱及所述偏移柱均采用圆柱形结构，受波浪载荷的阻力系数相对于同等面积的其它结构型式小，故受波浪载荷相对较小；基柱除了作为压载舱外，兼起增加垂荡阻尼的作用，减小基础垂荡幅值，降低了浮式海上风力发电机平台的重心，提高了整个结构的稳性。

5.该发电机平台可在船坞内建造，并可在岸边码头通过陆上吊机完成整个浮式海上风力发电机的拼装，通过调整压载来减小基础吃水，整体拖航至安装地点，通过系泊定位，省去了常规海上吊装需要的大型浮吊船，节约了施工建造成本。

6.多个所述偏移柱的数量与多个所述系泊线的数量相同，均为六个；六个所述偏移柱的中心轴分别通过同一个正六边形的顶点，偏移柱的数量是经过相应模型测试及数值模拟分析等一系列研究及分析而得到的，如此使得结构形式规则且相对简单，刚度较强，发电机平台的整体的重心降低，抗波能力有所提升；此外，当偏移柱的数量为6时，浪涌运动的减少最明显，达到具有3个偏移柱的模型的近80％，此时浪涌幅度的减小最明显，达到具有3个偏移柱的模型的近70％。

7.所述偏移柱作为压载舱提供半潜式海上风力发电机平台的整体压载，使海上风力发电设备整体重心降低，GM值增加，提高了整体的稳定性，继而能在外部极限环境条件下不产生倾覆，保证了海上风力发电设备的安全性。

8.所述塔柱的中心轴与所述立柱的中心轴重合，如此使得整个海上风力发电设备能稳定于所述发电机平台的中心轴上，从而使得海上风力发电设备可以更好地适应海上复杂多变的环境，进一步提高了稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的海上风力发电设备的结构示意图；

图2是图1中的海上风力发电设备的半潜式海上风力发电机平台的结构示意图；

图3是图2中的半潜式海上风力发电机平台沿另一个角度的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-半潜式海上风力发电机平台，2-塔架，3-风力发电机，4-叶片，5-上柱，6-立柱，7-基柱，8-浮筒，9-斜撑，10-第一系泊线，11-第二系泊线，12-导缆器，13-锚。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2及图3，本发明提供的海上风力发电设备，其包括半潜式海上风力发电机平台1及风机结构，所述风机结构设置在所述半潜式海上风力发电机平台1上。工作时，所述半潜式海上风力发电机平台1漂浮在海面上。

所述半潜式海上风力发电机平台1包括立柱6、六个偏移柱、六个斜撑9、六根系泊线及六个导缆器12，六个所述偏移柱绕所述立柱6的中心轴均匀排布，且六个所述偏移柱分别通过六个所述斜撑9连接于所述立柱6。六根所述系泊线分别连接六个所述偏移柱及锚13，所述锚13设置在海底。六个所述导缆器12分别设置在六个所述偏移柱上，六根所述系泊线分别与六个所述导缆器12相连接。可以理解，在其他实施方式中，所述偏移柱的数量可以根据实际需要增加或者减少；本实施方式优选所述偏移柱的数量为六个，其是通过相应模型测试和数值模拟分析等一系列研究及分析而得到的，具体为：

自由衰减测试表明，增加偏移柱的数量可以减少浪涌模式中的自然周期，而升沉和俯仰模式的自然周期不会发生显着变化。

常规波浪载荷试验表明，当浮动平台的偏移柱数增加时，浪涌运动减少，而列数的影响对于升沉和俯仰运动可忽略不计。当偏移柱的数量为6时，浪涌运动的减少最明显，达到具有3个偏移柱的模型的近80％。

对于不规则波浪载荷，随着偏移柱数量的增加，浪涌、起伏和俯仰的响应减小，与常规波浪载荷相同，增加列数的最明显影响是在喘振方向上。当偏移柱的数量为6时，浪涌幅度的减小最明显，达到具有3个偏移柱的模型的近70％。

本实施方式中，同一个正六边形的顶点分别位于六个所述偏移柱的中心轴上。六个所述偏移柱之间通过浮筒8相连接，所述浮筒8为圆柱形等截面浮筒。

所述偏移柱包括基柱7及上柱5，所述上柱5设置在所述基柱7上，所述导缆器12设置在所述基柱7的顶部，且六个所述导缆器12绕所述主柱6的中心轴均匀排布。本实施方式中，所述立柱5的直径小于所述基柱7的直径，有利于抑制所述半潜式海上风力发电机平台1运动，特别是在升沉方向，也有抑制浪涌、摇摆、滚动及俯仰。

所述上柱5远离所述基柱7的一端与所述立柱6远离所述风机结构的一端通过所述斜撑9相连接，且六个所述上柱5远离所述基柱7的一端通过六个所述浮筒8连接到一起，对应的六个所述浮筒8形成一个正六边形。同时，六个所述上柱5远离所述基柱7的一端分别通过所述浮筒8连接于所述立柱6邻近所述风机结构的一端。

六个所述基柱7通过六个所述斜撑9连接到一起，且六个所述基柱7分别通过所述浮筒8连接于所述立柱6远离所述风机结构的一端。对应的六个该浮筒8形成一个正六边形。本实施方式中，所述偏移柱自静水位上方延伸到水下方；所述偏移柱内用水压载，水是分割的，不允许晃动或者移动，所述上柱5及所述基柱7的底部填充有水；所述浮筒8、所述斜撑9及所述主柱6中没有水压载。

每根所述系泊线包括两个第一系泊线10及一个第二系泊线11，两个所述第一系泊线10的一端分别连接于相邻的两个所述导缆器12，另一端连接于所述第二系泊线11的一端，所述第二系泊线11的另一端连接于所述锚13。所述系泊线用于使海上风力发电设备固定于一个海域范围，不发生较大的浪涌、升沉和俯仰运动。

本实施方式中，所述主柱6及六个所述偏移柱可提供整体浮力，结构吃水深度较小，有效地增加了半潜式海上风力发电机平台1的转动惯量，使得浪涌、升沉和俯仰幅值控制在海上风力发电设备运行的安全范围内；所述浮筒8及所述斜撑9提供了所述海上风力发电设备底部合力的传递路径；所述上柱5及所述基柱7作为压载舱提供半潜式海上风力发电机平台1的整体压载，使海上风力发电设备整体重心降低，GM值增加，提高了整体的稳定性，继而能在外部极限环境条件下不产生倾覆，保证了海上风力发电设备的安全性。所述浮筒8和所述斜撑9除提供压载外，还增加了升沉运动阻尼，使得升沉运动幅值控制在可接受范围内。

所述风机结构包括塔架2、风力发电机3及风轮，所述塔架2呈圆柱状，其一端连接于所述立柱6。所述风力发电机3设置在所述塔架2的另一端。所述风轮设置在所述风力发电机3上。所述风轮包括叶片4及转子机舱组件，所述叶片4连接于所述转子机舱组件，所述转子机舱组件连接于所述风力发电机3。风力带动所述叶片4转动，使得所述风力发电机3内部产生电磁感应现象，从而将风能最终转换为电能而进行发电。本实施方式中，所述塔架2的中心轴与所述立柱6的中心轴重合。

本发明提供的半潜式海上风力发电机平台及海上风力发电设备，所述发电机平台的多个所述偏移柱之间通过多个所述浮筒相连接，多个所述系泊线分别连接多个所述偏移柱及锚，如此可以增强发电机平台的刚度，降低发电机平台的位移幅度，且结构简单，实用性较强。此外，所述基柱的直径大于所述上柱的直径，有利于抑制所述半潜式海上风力发电机平台的运动，特别是在升沉方向，也有抑制浪涌、摇摆、滚动及俯仰。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半潜式海上风力发电机平台，其特征在于：

所述发电机平台包括立柱(6)、多个偏移柱、多个系泊线及多个浮筒(8)，多个所述偏移柱绕所述立柱(6)的中心轴均匀排布，且所述偏移柱连接于所述立柱(6)；多个所述偏移柱之间通过多个所述浮筒(8)相连接；多个所述系泊线分别连接多个所述偏移柱及锚(13)，所述锚(13)设置在海底；

所述偏移柱呈阶梯状，其包括基柱(7)及上柱(5)，所述上柱(5)设置在所述基柱(7)上；所述系泊线连接于所述基柱(7)；所述基柱(7)的直径大于所述上柱(5)的直径；多个所述上柱(5)远离所述基柱(7)的一端通过多个所述浮筒(8)相连接，且多个所述基柱(7)也通过多个所述浮筒(8)相连接；所述偏移柱内填充有水，其用于提供压载。

2.如权利要求1所述的半潜式海上风力发电机平台，其特征在于：所述系泊线包括两个第一系泊线(10)及第二系泊线(11)，两个所述第一系泊线(10)的一端分别连接于相邻的两个所述基柱(7)，另一端连接于所述第二系泊线(11)的一端，所述第二系泊线(11)的另一端连接于所述锚(13)。

3.如权利要求1所述的半潜式海上风力发电机平台，其特征在于：所述发电机平台还包括多个斜撑(9)，多个所述斜撑(9)的一端分别连接于多个所述上柱(5)远离所述基柱(7)的一端，另一端连接于所述立柱(6)邻近所述基柱(7)的一端。

4.如权利要求1所述的半潜式海上风力发电机平台，其特征在于：多个所述上柱(5)远离所述基柱(7)的一端通过所述浮筒(8)连接于所述立柱(6)远离所述基柱(7)的一端。

5.如权利要求1所述的半潜式海上风力发电机平台，其特征在于：所述发电机平台还包括多个导缆器(12)，多个所述导缆器(12)分别设置在多个所述基柱(7)上，且绕所述立柱(6)的中心轴均匀排布。

6.如权利要求1-5任一项所述的半潜式海上风力发电机平台，其特征在于：所述偏移柱自静水位上方延伸到水下方。

7.如权利要求1-5任一项所述的半潜式海上风力发电机平台，其特征在于：多个所述偏移柱的数量与多个所述系泊线的数量相同，均为六个；六个所述偏移柱的中心轴分别通过同一个正六边形的顶点。

8.如权利要求1-5任一项所述的半潜式海上风力发电机平台，其特征在于：所述浮筒(8)为圆柱形等截面浮筒(8)。

9.一种海上风力发电设备，其特征在于：所述发电设备包括权利要求1-8任一项所述的半潜式海上风力发电机平台(1)及风机结构，所述风机结构设置在所述发电机平台上。

10.如权利要求9所述的海上风力发电设备，其特征在于：所述发电设备包括塔架(2)，所述塔架(2)设置在所述立柱(6)上；所述塔架(2)呈圆柱状，所述塔架(2)的中心轴与所述立柱(6)的中心轴重合。